Электропроводность полупроводников может быть обусловлена собственными электронами атомов данного вещества (собственная проводимость) и электронами примесных атомов (примесная проводимость). Источниками носителей тока могут быть также дефекты кристаллической структуры (вакансии, междоузельные атомы и др.)
Собственная проводимость. Электропроводность полупроводника, не содержащего примесей и дефектов, при Т = 0 К равна нулю, поскольку в нем нет свободных носителей заряда. Действительно, его валентная зона полностью заполнена электронами и не дает никакого вклада в проводимость, а зона проводимости пуста. При Т > 0 К появляется вероятность заброса электронов из валентной зоны в зону проводимости (см. рис.1).
В результате в валентной зоне образуются дырки, причем концентрации электронов n и дырок р будут одинаковы. Одновременно с процессом образования свободных носителей (генерация) идет процесс их исчезновения (рекомбинация), т.е. возврат части электронов из зоны проводимости в валентную зону и заполнение дырок. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупроводниках устанавливается некоторая равновесная концентрация носителей заряда. Так, например, при комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок составляет в Si примерно 1010 см–3, а в Ge ~1013 см–3.
При наложении электрического поля Е в полупроводнике возникает ток, состоящий из электронной и дырочной составляющих. Полупроводники, в которых за счет перехода некоторого количества электронов из валентной зоны в зону проводимости образуется такое же количество дырок, называются собственными. Соответственно их проводимость, состоящую из электронной и дырочной составляющих, называют собственной проводимостью. Результирующая электропроводность собственного полупроводника определяется суммой электронной и дырочной компонент.
Примесная проводимость. Примеси и дефекты в полупроводниках делят на доноры и акцепторы. Доноры отдают в объем полупроводника избыточные электроны и создают электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны вещества, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (р-типа). Наличие в полупроводниках примесных атомов и структурных дефектов обусловливает существование в запрещенной зоне локальных разрешенных энергетических состояний – примесных уровней.
Если в полупроводник введена донорная или акцепторная примесь, то при низких температурах, когда энергии тепловых колебаний недостаточно для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, свободные носители заряда могут появиться за счет ионизации примесей или дефектов. Энергия ионизации мелких доноров и акцепторов незначительна по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника, поэтому связанный с донорным атомом электрон может быть оторван от этого атома, т.е. переведен с донорного уровня в зону проводимости (рис. 3 а). Чем выше температура, тем больше доноров отдают свои электроны. Правда, с повышением температуры увеличивается и вероятность межзонных переходов. Поэтому количество электронов в зоне проводимости полупроводника, содержащего доноры, может значительно превышать количество дырок в валентной зоне, и электропроводность будет электронной. Такой полупроводник называют электронным (донорным) или полупроводником n-типа. Электроны являются в нем основными носителями заряда, а дырки – неосновными.
В полупроводнике, содержащем акцепторную примесь, электроны легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни, а в валентной зоне образуются дырки (рис. 3 б). Их количество значительно больше, чем количество свободных электронов, образовавшихся за счет переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными. Проводимость полупроводника, содержащего акцепторную примесь, будет дырочной, а сам полупроводник в соответствии с этим называется дырочным (акцепторным) или полупроводником р-типа.
Рис.3. Зонная структура (энергетическая диаграмма) электронного (а) и дырочного (б) полупроводников